卧式声定位系统定位误差源分析及标调装置设计-陈旭光.docx

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1、声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研宂成果，尽我所知，在本学位 论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说 明。 研究生签名 ： 年 $月 /日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按 保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 挪他幻 年；月 ,曰 双三角卧

2、式声定位系统尽管己经被用于弹着点的坐标定位，但其定位精度仍然满足 不了越来越高的测试需求。本文从基于双三角被动声定位原理出发，尝试系统分析双三 角卧式声定位系统定位过程中的误差因素，并对其进行理论分析与实验研宄，为高精度 声定位装置的研制奠定基础。 系统研宄了双三角卧式声定位系统定位过程中的误差源及其误差特性。探讨数学解 算模型和弹丸章动角对定位精度的影响；仿真分析了风速与风向对定位精度的影响。仿 真分析了弹丸入射角度（方位角与俯仰角）引入的定位误差，确定了定位精度允许范围 内的最大入射角；仿真分析了激波信号速度衰减对系统定位精度的影响；探讨传感器、 信号调理电路及特征点 提取判断对定位精度的

3、影响，并设计了验证试验，确定了误差范 围。 设计误差源实验研宄平台，搭建实验测试系统。选择驻极体式声传感器作为激波信 号测量传感器，设计对应的信号调理电路，实现对传感器输出信号的滤波、放大及整形 处理；基于 FPGA与 MSP430设计了时差数据提取模块、存储及通信模块，实现了激波 信号的采集、计算、存储及远程无线发送功能；基于 Labview设计了上位机实时控制以 及显示界面。利用误差源实验研宄平台，实验研宄了激波信号测量传感器的一致性以及 滤波电路、放大电路和整形电路的相关参数对定位精度的 影响。 研究了双三角卧式声定位系统的标调方法，并设计了对应的标调装置。设计了高频 声波发生装置，通过

4、波形转换、修正、放大等处理，驱动发生装置产生声信号，用于传 感器及系统电路的特性进行分析。设计了模拟坐标信号发牛装置，模拟激波来临时六路 时间信号，用于除传感器部分的系统的性能分析与测试。研宄了弹道与虚拟测试靶面的 垂直度控制方法，并设讣了对应的调控装置，减小了实验时的由于测试靶架安装的不正 确引起的定位误差的影响。 设计风速、入射角度、激波哀减实验，用于验证其仿真分析的正确性。 关键字：卧式声定位，误差源， 误差源分析平台，标调方法，标调装置 Abstract Nowadays the dual triangle horizontal acoustic positioning system

5、has been used in coordinate positioning of the impact point， but its positioning precision still cannot meet the increasingly high test requirements. Based cm the principle of dual triangle passive acoustic positioning, this paper attempts to systematically analyze the error factors in the positioni

6、ng process of the dual triangle horizontal acoustic positioning system， and make theoretical analysis and experimental study, in order to lay a foundation for the design of high precision acoustic positioning devices. The system studies the error source in the positioning process of the dual triangl

7、e horizontal acoustic positioning system and its error characteristics. And the influence of mathematical model and nutation angle of projectile on positioning precision is discussed. The influence of wind speed and direction on positioning precision is simulated and analyzed. Then the positioning e

8、rror which is introduced by projectile incidence angle (azimuth and pitch angle) is simulated and analyzed, and the maximum incidence angle in the range allowed by positioning precision can be determined. Additionally, the influence of the velocity attenuation of shockwave signal on the positioning

9、precision of the system is simulated and analyzed. The effects of sensor, signal conditioning circuit and feature points extraction judgment on positioning precision are discussed and the validation test is designed to determine the error range. The paper designs error source experimental verificati

10、on platform and sets up the experimental test system. Electret-type acoustic sensor is selected as the shockwave signal measurement sensor, and the corresponding signal conditioning circuits are designed to realize the filtering, amplifying and shaping of the sensor output signal. Based on FPGA and

11、MSP430, time difference data extraction module, storage module and communication module are designed to realize the collection, calculation, storage and remote wireless transmission of shockwave signal. Besides, based on Lab View, the real-time control and display interface of the host computer are

12、designed. The experiment studies the consistency of shockwave signal measurement sensor and the influence of relevant parameters of filter circuit, amplifier circuit and shaping circuit on the positioning precision by using the error source experimental analysis platform. In the paper, the debugging

13、 method of the dual triangle horizontal acoustic positioning system is studied and the corresponding debugging device is designed. The high-frequency acoustic generator is designed to analyze the characteristics of sensor and system circuits. The analog coordinate signal generator is designed to sim

14、ulate the six-way time signal when the shockwave approaches, which is used to analyze and test the performance of the system except the sensor. The control method of verticality of the trajectory and the virtual test target surface is studied and the corresponding control devices are designed to red

15、uce the influence of the positioning error caused by the incorrect installation of the test target. The wind speed, incidence angle, and shockwave attenuation experiments are designed to verify the correctness of simulation analysis. Keywords: horizontal acoustic positioning, error source , error so

16、urce verification platform, debugging method, debugging device lit 目录 m m . . . . . . . . . . . I Abstract . II . IV 1 . 1 U课题研宄背景及意义 . 1 1.2国内外发展现状 . 2 1.3双三角卧式声定位系统存在的问题 . 3 1.4本文主要工作 . 3 2双三角卧式声定縣统定位原 ms定位 _组成分析 . 6 2.1弹丸激波信号特性分析 . 6 2.2双三角卧式声定位系统定位原理 . 8 2.3双三角卧式声定位系统装置组成分析 . 9 2.4本章小结 . 11 3双三角

17、卧式声定縣统定位误差源分析 . 12 3.1定位误差源分析 . 12 3.1.1激波信号的产生与传递存在的误差因素 . 13 3.1.2传感器采集激波信号引入的定位误差 . . . 14 3.1.3信号调理整形及特征点判读引入的误差 .: . 15 3.1.4数学解算模型及入射角度对定位误差的影响 . 15 3.2解算模型对定位精度的影响 . 15 3.2.1双三角卧式声定位系统解算模型分析 . 15 3.2.2激波信号实际传播情况 . 16 3.2.3解算模型引入定位误差原因分析 . 18 3.3弹丸结构对双三角卧式声定位系统定位精度的影响 . 19 3.4风速对双三角卧式声定位系统定位精度

18、影响 . 20 3.4.1含矢量风约束方程推到 . 20 3.4.2矢量风对报靶精度影响分析 . 22 3.5激波衰减对定位精度的影响 . 26 3.6方向角与俯仰角对定位精度的影响 . 28 3.6.1存在方向角的模型建立 . 28 3.6.2方向角对定位误差影响仿真分析 . 29 rv 3.6.3存在俯仰角的模型建立 . 32 3.6.4俯仰角对定位误差影响仿真分析 . 33 3.7传感器、信号调理电路及特征值判读对定位误差的影响 . 35 3.7.1传感器对定位误差的影响 . 35 3.7_2调理电路对定位误差的影响 . 36 3.7.3特征点判读及时间差提取引入的定位误差 . 37 3

19、.7.4传感器、调理电路及特征点判读引入定位误差大小分析 . 38 3.8误差源的统计分析 . 39 3.9本章小结 . 39 4 40 4.1传感器及配合组件选型 . 41 4.1.1传感器帮号选择 . 41 4.1.2传感器配合组件选型 . 41 4.2误差源验证平台电路及程序设计 . 43 4.2.1模拟电路设计 . 43 4.2.2数字电路设计 . 45 4.2.3上位机程序设计 . 48 4.2.4电路对定位误差影响验证 . 49 4.3安装支架设计 . 50 4.4本章小结 . 53 5双三角卧式声定位系统标调方法研究及标调装置设计 . 54 5.1传感器及系统电路参数调试方法 .

20、 54 5.1.1传感器及系统电路低频特性调试方法研究 . 55 5.1.2传感器及系统电路高频特性调试方法研宄及调试装置设计 . 55 5.2模拟坐标测试装置设计 . 60 5.3弹道垂直度控制方 . . 64 5.4本章小结 . 6 . 68 6.1风速对大口径弹丸定位精度影响研宄 . 68 6.1.1大口径弹丸射击实验数据 . 68 6.1.2拟合弹道线求取实际坐标值 . 69 6.1.3系统定位 . . . 71 6.1.4大口径弹丸定位风速修正 . 72 百录 _ 6.2入射角度对定位精度影响实验研宄 . 72 6.3激波信号衰减对定位系统影响实验研宄 . 75 6.4本章小结 .

21、78 7 79 7.1全文总结 . 79 7.2 廳 . 80 st m . si 歸文献 . 82 VI 1绪论 1.1课題研宄背景及意义 目前，关于武器性能测试中，对于密集度的测试要求越来越高。声定位测试密集度 的方法广泛应用于武器的密集度测量中。基丁 “ 声定位的弹着点被动测试方法较靶布、光、 电、雷达探测等测试技术相比，具乜以下优点 (1) 非接触测试，无需改变弹丸形状参数，对不同型号的弹丸均适用。 (2) 声定位测试装置定位原理简单，抗干扰能力强，可靠性高。 (3) 定位装置体积小，易于搬运，安装方便，射击实验中不易损坏，成本低廉，信号可 远距离无线传输。 (4) 可昼夜工作，不受环

22、境中亮度影响 m 。 0前，常用声定位测量方法冇 DOA法、 TOA以及 TDOA等。 DOA测量方法利用 波达角对弹着点坐标进行估计。但是，此方法在定位过程中受到多种因素的影响。例如， 角度分辨率、多径和噪声等因素。因此，实际使用时 DOA法较难实现空间的准确定位 5LTOA测量法对弹着点进行定位时， g标信号位于以发射信号端为圆心、以信号传播 速度 V与传播时间 t乘积大小为半径的圆上。目标发射端的二维坐标由三个以上的圆的 相交点确定。此方法对发射端与接收端同步信号要求较高，实施起来比较困难 6】 。 TDOA 法对弹着点进行定位时，利用不同传感器接收到声音信号的时间差建立方程组，利用信

23、号双曲线交点确定目标点位置 8。 目前存在的面阵传感器布阵方式有多种，例如四方点阵、四点圆阵、八点线阵、八 点圆阵、八点方阵、卧式双三角阵列等 M。 四点方阵、四点圆阵均由四个传感器组成， 主要适用于小靶面弹着点定位。八点方阵、八点圆阵均有八个传感器组成，也适用于小 靶面阵列，但其定位精度 高于四点阵列 。双三角卧式声定位系统由六个传感器组成， 六个传感器位于两个等边三角形的顶点位置，两个等边三角形关于靶架中线对称放置。 双三角卧式声定位系统主要用于大靶面弹着点坐标定位。 在众多测试方法与传感器测试阵列中，为了实现大靶面、高精度弹着点坐标测量， 通常选用基于 TDOA法的双三角卧式声定位系统

24、111213。与其他几种测试方法及阵列 相比，双三角卧式声定位系统更适用于大靶面、高精度的定位需求 M151。 近年来，被动声定位技术在武器系统密集度测试中运用的越来越广泛，但其定位精 度仍 然差强人意。很多情况下被动声定位测量结果无法满足实验现场对密集度测试的需 求。因此，卧式声定位系统的定位精度的控制方法以及影响定位精度的误差源分析成为 研究的热点。卧式声定位系统中，双三角卧式声定位系统与其他定位系统相比有效靶面 面积可达 lOmxlOm， 对于小口径枪弹与人口径弹丸均适用。并且，双三角卧式声定位系 统与其他种类定位系统相比，定位精度较高。但在很多用？枪炮的立靶密集度测试的环 境中，其定位

25、精度仍旧无法满足高精度定位的要求。虽然现有的关于声定位方法及精度 控制方法的研宄成果对声定位精度的提高有一定的指导意义，但实施效果尚不理想。 木文从双三角被动声定位系统的定位原理出发，尝试对影响双三角卧式声定位系统 定位精度的误差因素进行系统的理论分析及实验研宄。寻找影响双三角卧式声定位系统 定位精度的原因以及其对定位精度影的大小，为局精度双二角卧式声定位装置的设计 奠定基础。同吋，为了消除或减小部分主要误差因素对双三角卧式声定位系统的影响， 研宄系统标调方法并以标调方法为依据设计标调装置，用于实验前消除或减小部分误差 源，提高系统定位精度。 1.2国内外发展现状 奥地利公司研制的杆状声定位系

26、统，可对存在入射角度的射击进行坐标修正，入射 角小于 0.25时，杆状声定位系统的测量误差为 2.5_。 英 W MS公司研制的点阵声学靶可用于 lOmxlOm的立靶范围。对于 5.8mm小口径 弹丸， 2mx2m范围内定位精度达到 5_。当立靶范围变大时，定位精度下降，达到 ： t2cm。 ATS-1T型声学靶，测量 30mm以下的弹丸弹着点坐标点及弹丸飞过靶面时的速度。 立粑范围可从 lmxlm变化到 12mxl2m。 对弹丸进行定位时，弹丸除正向射击声学靶外，还可能以任意角度进行射击。中国 人民解放军炮兵学院的张飞猛、战延谋等人在 2006年提出对弹丸垂直入射声学靶平面 与存在用度射击声

27、学靶面时应使用不同的数学模型，提出存在不同入射角度的数学解算 模型，并针对不同的入射角度进行误差分析 16。正向时击声学靶时，数学模型以弹道线 垂直靶面且方向与弹速不变为前提，定位误差押论值为 0.5cm;任意角度射击声学靶时 数学模型以弹道线为直线 11方向不变、射击角度较小为前提，定位误差理论值达到 4cm。 南京理工大学的孙学书、； 3艳新等人在 2008年提出双三角形声学靶信息融合定位 模型，利用数据融合与试验标 定的方法来提高双二角卧式声定位系统的定位精度 f171819， 并分析了时延误差、弹丸着靶速度等对系统定位误差的影响。 南京理工大学蒋萍对双三角阵列的基阵参数 a和 b的不同

28、取值对记位精度的影响进 行仿真分析，分析 a b的参数不丨 nj对定位精度的影响，最终根据仿真分析的结果选取 最优基阵参数 PQ】 。但实际实验时，基阵参数的实际值还会受到加工精度与配合参数影响。 南京理工大学闵想与总参谋部的樊长虹均分析了风速对定位精度的影响 PH,给出了 风速补偿方法，但 a射击过程屮入射角度与风向未明时，风速补偿效果欠佳。闵想主要 针对八点阵列中信号传递到传感器的时间影响进行分析，验证风速对八点阵列定位精度 的影响，而樊长虹在文中提出将模型简化为非线性最小二乘法求解，加速了收敛性。 闵想在 2013年研宄了双三角阵列不冋的水平倾角下的阵列基阵参数对定位精度的 影响，确定双

29、三角卧式声定位系统中 a与 b的不同、传感器阵列的水平倾角的大小对双 三角卧式声定位系统定位精度的影响大小，认为合理的选取基阵参数与水平倾角会提高 系统的定位精度 22。 南京理工大学的童俊杰 231在 2015年学位论文中对激波衰减、传感器安装误差的因 素对定位误差的影响进行了理论分析，认为激波衰减与传感器安装偏差均会对系统定位 精度造成影响，但是，尚停留在理论分析阶段，未见仿真数据与试验数据支撑。 大连理工大学的高楼 p4】 给出不同入射角度的声学解算模型，理论分析了弹丸入射角 度对定位的影响，并设计了相应的立体阵列，仿真分析表明该立体阵列消除了入射角， 可提高定位精度。 除此之外，研究人

30、员还研宄了环境条件（温度、气压）、激波运动速度不均匀、测 试系统的一致性、双三角定位系 统中基阵参数等因素对定位精度的影响。 1.3双三角卧式声定位系统存在的问題 众多声定位系统中，双三角卧式声定位系统由于安装使用方便、安全性能高而常用 于大靶面的弹着点定位测试中。但在很多环境中，其定位结果依旧无法满足测试需求。 双三角卧式声定位系统的定位精度仍然有很大的提升空间。 (1) 双三角卧式卢定位系统定位误差缺乏定量研宄。定位时存在数学解算模型对 定位精度的影响、弹丸结构对定位精度的影响、风速及俯仰角、方位角对定位精度的影 响、调理电路对定位精度的影响等问题。目前，虽然知道多种误差源的存在，但是误差

31、 源对定位精度的影响大小并不明确。 (2) 双三角卧式声定位系统误差源有很多，但无法确定主要误差源。因此，需要设 计误差源验证平台，并利用误差源验证平台进行实验，分析主要误差源对定位精度的影 响。 )定位系统的定位精度除受到系统的传感器和系统电路性能影响外，还受到弹 道线与测试靶面夹角等因素的影响。因此，需寻找合适的标调方法及标调装置，用于双 三角卧式声定位系统的调试及性能测试，以提高系统的定位精度。 1.4本文主要工作 本文以双三角卧式声定位系统为研究对象，从双三角卧式声定位原理出发，探讨影 响双 =角卧式声定位系 统定位精度的影响因素，根据误差源的误差特性设计误差源分析 验证平台，对部分影响定位精度的主要误差源进行实验研宂。主要研宂内容及路线如图